铝阳极氧化与染料着色

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1、实验二十四铝的阳极氧化与表面着色华南师范大学物理化学研究所孙艳辉铝的阳极氧化与表面着色实验背景基本原理实验要求仪器试剂实验提示进一步讨论实验背景铝的广泛应用：铝及铝合金具有密度小，比强度高，导电和导热性好，成型容易，无低温脆性等优点，是一种综合性能优良的轻金属材料。目前，铝材在航空航天工业及建筑材料、交通工具、电子产品等领域中得到了广泛的应用。实验背景铝氧化膜的性质：铝对氧的化学亲和力特别强，在大气中其表面总是被一层透明的氧化膜所覆盖，但是天然的铝氧化膜极薄，只有，且孔隙率大，机械强度低，抗蚀和耐磨性都不能满足防腐蚀的需要。利用电化学方法，可使铝（

2、或铝合金）表面生成致密的优质氧化膜，且膜较厚，其厚度可达几十至几百微米，能有效地提高铝的耐腐蚀性。另外，由于所形成的氧化膜存在均匀的孔隙，故可用有机染料进行染色处理，经封密后色泽稳定，使铝材的应用更加广泛。这种使铝表面氧化的电化学工艺称为铝的阳极氧化。实验背景铝氧化膜分类：根据氧化膜用途可以在阳极氧化的同时，再进行其它的工艺，可以得到相应的氧化膜：如防护性氧化膜，防护-装饰性氧化膜（氧化后再着色），功能性氧化膜如硬质氧化膜、自润滑氧化膜、导电氧化膜、绝缘氧化膜、磁性氧化膜、光吸收氧化膜、催化膜等。基本原理铝的阳极氧化铝氧化膜的封闭着色铝的阳极氧化将

3、铝制品作阳极，以硫酸、铬酸、磷酸、草酸等为电解液进行阳极氧化，可形成较厚的氧化膜，膜的主要成分是Al2O3，其反应历程比较复杂。现在以Al为阳极，Pb为阴极，H2SO4溶液为电解质介绍其反应原理。电解时的电极反应为：阴极：阳极：(氧化膜形成)阳极上的Al被氧化，且在表面上形成一层氧化铝薄膜的同时，由于阳极反应生成的H+和电解质H2SO4中的H+都能使所形成的氧化膜发生溶解：铝的阳极氧化成膜机理：在硫酸电解液中阳极氧化，作为阳极的铝制品，在阳极化初始的短暂时间内，其表面受到均匀氧化，生成极薄而又非常致密的膜，由于硫酸溶液的作用，膜的最弱点（如晶界，杂

4、质密集点，晶格缺陷或结构变形处）发生局部溶解，而出现大量孔隙，即原生氧化中心，使基体金属能与进入孔隙的电解液接触，电流也因此得以继续传导，新生成的氧离子则用来氧化新的金属，并以孔底为中心而展开，最后汇合，在旧膜与金属之间形成一层新膜，使得局部溶解的旧膜如同得到“修补”似的。铝的阳极氧化影响因素：氧化时间：随着氧化时间的延长，膜的不断溶解或修补，氧化反应得以向纵深发展，从而使制品表面生成又薄而致密的内层和厚而多孔的外层所组成的氧化膜。其内层（阻挡层、介电层、活性层）厚度至氧化结束基本都不变，位置却不断向深处推移；在一定的氧化时间内随时间而增厚。电解液

5、浓度：要使Al2O3氧化膜顺利形成，并达到一定厚度，必须使电极上氧化膜形成的速率大于氧化膜溶解的速率，这要通过控制一定的氧化条件来实现。如果是在强酸电解液中，阳极上的金属离子不断地从金属本体溶解，根本不能形成氧化膜；若在弱酸中，阳极产物在电解液中不溶解，则氧化膜很快形成并覆盖金属，电阻增大，使电化学反应不能正常进行不能形成所需厚度的氧化膜，所以要严格控制硫酸的浓度。铝的阳极氧化对膜的质量要求：铝的阳极氧化和着色工艺要求形成的膜既有一定厚度，又要在膜上有均匀的孔隙，以保证电流的通过及将来着色。这是一个既有膜的生长又伴随有膜的溶解的电极过程。由于膜的不

6、断生长与加厚，致使电阻不断增加，从而使膜的生长速率渐缓，此时膜的形成速率与膜的溶解速率达到动态平衡，膜的厚度就不会变化了。氧化膜着色着色目的：氧化膜的表面是由多孔层构成的，其比表面积大，具有很高的化学活性。利用这一特点，在阳极氧化膜表面可进行各种着色处理。着色的目的在于提高产品的装饰性和耐蚀性，同时给铝制品表面以各种功能性。着色方法：阳极氧化膜着色方法大体有三种类型：浸渍着色、电解着色和整体着色。本实验重点介绍浸渍着色。氧化膜着色应在氧化结束后进行。将阳极氧化处理得到的新鲜氧化膜铝片直接用水冲洗干净，立即放入着色液中着色。着色时注意染料的纯度，水温

7、约在313.2～333.2Ｋ，不能太高。适当加热可加速染色，但水温太高会造成氧化膜的孔隙过早封闭，降低吸附染料的性能，pH值在4.5～7.0之间为宜，着色时间视需颜色的深浅而定。染色后的铝片经水冲洗干净后，再进行水封闭处理。氧化膜着色着色原理：浸渍着色的原理主要是氧化膜对色素体的物理吸附和化学吸附。无机盐浸渍着色主要是靠化学反应沉积在多空层。有机染料的着色通常认为既有物理吸附也包括有机染料官能团与氧化铝发生络合反应形成。影响氧化膜着色质量主要由两方面：一是阳极氧化膜的质量，二是着色液的种类、浓度及处理条件。色泽随厚度而异，越厚色调越深；孔隙率要大，

8、均匀。由于多孔膜的独特性质，除了可以应用于着色外，近年来有人利用它作为模板，在孔中填充金属或半导体材料，用来制备磁记录材料